基于虛擬仿真和微視頻的模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

李 延，羅麗娟，韓曉剛，葉 欣，封 磊，范立維

（福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002）

就業(yè)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)是高等教育的重要使命。《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于深化教育改革 全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定》中明確指出：“高等教育要重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)業(yè)精神”，并要求“重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力”。[1]高校學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)貫穿于教學(xué)的每個(gè)環(huán)節(jié)，其中最重要、最現(xiàn)實(shí)和最有效的方法就是重視、加強(qiáng)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2]。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)理念下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是理論課程的輔助形式，難以自成體系，加之教學(xué)手段陳舊、教學(xué)形式單一等弊端，制約了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。隨著中國(guó)高等教育改革的不斷深入，實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越受到高校的重視。面對(duì)用人單位對(duì)畢業(yè)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力要求越來越高的現(xiàn)實(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革已迫在眉睫。本文以福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為例，論述構(gòu)建專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的改革措施及其成效，旨在為實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有效地服務(wù)于學(xué)生的就業(yè)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供借鑒。

一、專業(yè)模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建

模塊化教學(xué)起源于美國(guó)的模塊化技能培訓(xùn)（Modules of Employable Skills）和國(guó)際勞工組織的能力本位教育（Competency Based Education），以提高學(xué)生的操作技能為核心，將 “按需施教”“學(xué)用一致”作為基本原則[3]。目前國(guó)外許多大學(xué)已將模塊化教學(xué)應(yīng)用于專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)踐表明，模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)符合實(shí)踐教育的認(rèn)知規(guī)律，可以有效提高學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力[4]。此外，該模式還可為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)提供新的平臺(tái)[5]。依據(jù)自然保護(hù)與環(huán)境生態(tài)類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[6]，將農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為“專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)特色和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”三大模塊。

（一）專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

涵蓋無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)等課程。該模塊以培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能和方法為目的，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以觀察性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，涉及稱量、試劑配制、滴定、固液分離和萃取、常規(guī)分析檢測(cè)技術(shù)等。通過該模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以獲得“三基”（基本操作、基本技能、基本素質(zhì)）的培養(yǎng)，為今后的專業(yè)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)綜合訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

（二）專業(yè)特色實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該模塊課程有植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)實(shí)驗(yàn)、土壤與肥料分析實(shí)驗(yàn)、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)等，以培養(yǎng)學(xué)生從事土壤肥料測(cè)試、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)等崗位的就業(yè)和創(chuàng)業(yè)技能為目的。該模塊大幅度整合具有相同前處理和相同測(cè)定方法的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，重點(diǎn)開設(shè)以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和專業(yè)技能為目標(biāo)的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。例如，植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“施肥對(duì)蔬菜生長(zhǎng)和品質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下制定實(shí)驗(yàn)方案，以分組的形式開展蔬菜不同施肥處理的盆栽試驗(yàn)，觀察施肥對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的影響，并采樣分析測(cè)試不同處理蔬菜的硝酸鹽、亞硝酸鹽、維生素C和蛋白質(zhì)含量，依據(jù)國(guó)家食品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合課程理論知識(shí)闡明施肥影響蔬菜品質(zhì)的原因。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不但掌握了盆栽試驗(yàn)和樣品采集的方法、蔬菜重要品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定技術(shù)，而且學(xué)會(huì)了實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和解釋，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維的能力和團(tuán)隊(duì)合作的精神。

（三）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)綜合訓(xùn)練實(shí)踐模塊

該模塊依托國(guó)家、省、校、院“四級(jí)”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目、專業(yè)技能競(jìng)賽等，開展面向產(chǎn)業(yè)需求的研究性、探索性和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)性實(shí)驗(yàn)。該模塊以學(xué)生為主導(dǎo)，教師參與指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)方法的制定，提供實(shí)驗(yàn)必需的場(chǎng)所、儀器和試劑，保障實(shí)驗(yàn)的順利開展。探索性是該模塊實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，創(chuàng)新性和應(yīng)用性是該模塊實(shí)驗(yàn)的靈魂。如農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)學(xué)生主持的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目 “廢棄硅藻土原位修復(fù)鎘、鋅復(fù)合污染菜地的機(jī)理研究”，利用啤酒工業(yè)、食品行業(yè)的廢棄硅藻土作為土壤改良劑，研制以廢棄硅藻土為主原料的鎘、鋅復(fù)合污染土壤改良劑。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生在查閱大量的文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，通過分析廢棄硅藻土的理化性質(zhì)，研究改性廢棄硅藻土制備的物理、化學(xué)和生物方法，再經(jīng)盆栽實(shí)驗(yàn)篩選、大田試驗(yàn)驗(yàn)證，研制出可用于Ⅱ級(jí)鎘、鋅污染菜地的土壤改良劑，為廢棄硅藻土的資源化利用和土壤重金屬?gòu)?fù)合污染修復(fù)提供了解決方案。該模塊實(shí)驗(yàn)全面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維方式和創(chuàng)業(yè)的商業(yè)意識(shí)。

二、基于虛擬仿真和微視頻技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是一種灌輸式的教學(xué)方法。課前學(xué)生預(yù)習(xí)，上課時(shí)教師先詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)原理、關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)步驟的注意事項(xiàng)，然后學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，課后學(xué)生按固定模式寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法導(dǎo)致教師只注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程關(guān)心不夠，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生只需照方抓藥，完成任務(wù)了事，實(shí)驗(yàn)過程枯燥，降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的培養(yǎng)。當(dāng)前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在兩個(gè)共性問題：一是教學(xué)手段陳舊，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果不好、效率不高；二是授課形式單一、過多強(qiáng)調(diào)教師的主導(dǎo)地位，難于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力不強(qiáng)。針對(duì)此問題，近年來福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)開展了基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和微視頻的翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，具體做法如下。

（一）實(shí)施學(xué)生主體與教師主導(dǎo)相結(jié)合的“翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

后現(xiàn)代主義教育觀認(rèn)為，在知識(shí)網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，高校的課程不再是統(tǒng)一、同質(zhì)、線性的，而是多元、異質(zhì)、差異性和網(wǎng)絡(luò)性的，教師應(yīng)為學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件，把學(xué)生看作是研究性學(xué)習(xí)的能動(dòng)者[7-9]。人本主義教育觀認(rèn)為，教師是學(xué)習(xí)的指引者、協(xié)助者，強(qiáng)調(diào)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，建立以學(xué)生為主導(dǎo)的教育方式[10]。翻轉(zhuǎn)課堂以人本主義和后現(xiàn)代主義教育理論為依據(jù)，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心教學(xué)模式，倡導(dǎo)學(xué)生的主體地位[11]。翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生帶著問題進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，指導(dǎo)教師解答學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)存在的問題，講解實(shí)驗(yàn)步驟的重點(diǎn)、難點(diǎn)及其注意事項(xiàng)，在與學(xué)生的互動(dòng)中，進(jìn)行有針對(duì)性的輔導(dǎo)。這種遵循“學(xué)生主體，教師主導(dǎo)”原則的教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性[12-13]。

（二）創(chuàng)建基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)和微視頻的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在線平臺(tái)

翻轉(zhuǎn)課堂能否取得顯著的教學(xué)效果，關(guān)鍵取決于教學(xué)資源的質(zhì)量。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有安全性、生動(dòng)性、直觀性和低成本等特點(diǎn)，是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要舉措[14]。針對(duì)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)某些實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、流程復(fù)雜、物料和設(shè)備損耗大、試劑易燃和有毒等特點(diǎn)，利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了污水處理工藝、生活垃圾無害化處理、堆肥化生產(chǎn)有機(jī)肥等15項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?！拔⒁曨l”是指時(shí)長(zhǎng)不超過10分鐘、可通過PC和手機(jī)等多種視頻終端播放的視頻。對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，貴重儀器使用、關(guān)鍵步驟操作演示的微視頻對(duì)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能、正確操作儀器有極其重要的作用[15]。為此，農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境化學(xué)分析福建省實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在 “愛課堂”“學(xué)堂在線”建設(shè)了“實(shí)驗(yàn)化學(xué)”“高等儀器分析”“植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)原理與實(shí)驗(yàn)”“土壤與肥料分析實(shí)驗(yàn)”“農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)”“環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)”“農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)”等系列在線實(shí)驗(yàn)課程，制作了常用儀器操作微視頻和系列重點(diǎn)、難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)步驟的微視頻；主編了由高等教育出版社出版的 《農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)數(shù)字課程》《植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)原理與實(shí)驗(yàn)技術(shù)數(shù)字課程》教材，教材內(nèi)容涵蓋實(shí)驗(yàn)教學(xué)指南、實(shí)驗(yàn)微視頻、習(xí)題等教學(xué)資源，以及利用資源開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)?；ヂ?lián)網(wǎng)原住民的90后和00后學(xué)生習(xí)慣和善于用“互聯(lián)網(wǎng)+”的方式學(xué)習(xí)[16]，而虛擬仿真技術(shù)、微視頻等教學(xué)資源將復(fù)雜實(shí)驗(yàn)步驟和操作可視化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，提高了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的效果。

（三）建立融合線上線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控措施

“農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)”等在線課程的“學(xué)習(xí)檔案”和“在線答疑”板塊，可以讓教師及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，時(shí)刻關(guān)注新教學(xué)模式存在問題，并及時(shí)加以改進(jìn)、完善。如針對(duì)學(xué)生反映的電腦不方便隨時(shí)學(xué)習(xí)的問題，建設(shè)了基于手機(jī)APP的“農(nóng)資專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)移動(dòng)平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)式學(xué)習(xí)。改革實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核標(biāo)準(zhǔn)，將學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)的成績(jī)、實(shí)驗(yàn)操作技能以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為評(píng)價(jià)其成績(jī)的指標(biāo)；將學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目、專業(yè)技能競(jìng)賽納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系，對(duì)按時(shí)結(jié)題、獲得競(jìng)賽名次的學(xué)生給予分?jǐn)?shù)獎(jiǎng)勵(lì)。

三、教學(xué)改革成效

構(gòu)建模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，開展基于虛擬仿真和微視頻的翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能、就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)學(xué)生的 “專業(yè)技能綜合考核”優(yōu)秀率達(dá)到20%以上，良好率達(dá)到50%以上，分別較改革前提高了5～12個(gè)百分點(diǎn)和9～13個(gè)百分點(diǎn)。農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)畢業(yè)生的實(shí)驗(yàn)技能也得到了用人單位的認(rèn)可。中國(guó)農(nóng)資公司、中國(guó)檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)等多家用人單位反饋，農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)畢業(yè)生的實(shí)驗(yàn)操作技能強(qiáng)，能勝任肥料和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢驗(yàn)的專業(yè)工作。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革也培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的意識(shí)。近3年來，農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)學(xué)生主持完成的省級(jí)以上大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目達(dá)16項(xiàng)，部分已轉(zhuǎn)化為學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)的項(xiàng)目。

四、結(jié)語

以就業(yè)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為導(dǎo)向，把基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐有機(jī)串聯(lián)起來，構(gòu)建以知識(shí)-技能-創(chuàng)新為主線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，開展基于信息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，顯著提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和人才培養(yǎng)的質(zhì)量。如何打破隔閡，建立跨專業(yè)、跨學(xué)院乃至跨高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共建共享機(jī)制是今后亟待解決的問題。